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摘 要：开关磁阻电机驱动直接平衡抽油机是由吉林油田公司机械总厂研制，采用开关磁阻电机换向，直接平衡，皮带柔性减速，无游梁的新型节能抽油机。通过对钢丝绳种类、摩擦衬垫材料的合理选用，对开关磁阻电机、调速系统、各传动结构件、承载部件及功能部件的合理设计，以达到研制的目的，满足现场抽油作业的需要。其主要工作原理是将电机的旋转运动通过摩擦传动转变为钢丝绳带动悬绳器及光杆的直线运动。在全社会提倡节能减排的今天，开关磁阻电机驱动直接平衡抽油机的研制具有极其深远的意义。
关键词：开关磁阻电机；直接平衡；抽油机；节能
1 开关磁组电机及调速系统的开发
目前，油田市场抽油机所用电动机一般规格为Y系列电动机、双速电动机及各类节能电动机，它们共同的缺点是工频使用，起动电流大、力矩小，处在功率浪费状态，这样不仅浪费了电动机资金投入，而且也浪费了电能，是典型的大马拉小车现象。新一代的开关磁阻电动机调速系统解决了上述问题。以十型抽油机为例，现在抽油机用的电动机功率为30KW，运行平均电流为35A；而采用同功率的开关磁阻电动机，运行平均电流仅为15A，节电率达到37%，同时我们采用18.5KW开关磁阻电动机，同样可以保证抽油机正常运转，大大降低了电动机功率，起到节能作用。目前通过厂内试验，节能效果已初步得到证实。
是由开关磁阻电动机和智能调速控制器两者组成的新型调速系统，是继直流电动机调速系统、交流异步电动机变频调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统。
该产品十分适用于抽油机使用，其主要特点是：
（1）高起动转矩、低起动电流。
起动转矩达到额定转矩的200%时，起动电流仅为额定电流的10%。
（2）调速范围宽，低速下可长期运转。
调速范围：5转/分-750转/分，任意设定。
（3）可频繁起动停止，系统调控性能好。
起停切换每小时可达千次以上。
（4）过载能力强。
当负载远大于额定负载时，转速会下降，可保持最大输出功率，不会出现过电流现象，当负载恢复正常时，转速恢复到设定转速。
（5）电动机缺相及过负载时仍可工作。
若三相输入电源缺相只会导致电动机功率减小，仍可欠功率工作，不损坏电动机和控制器。
（6）节约能源、功率因数高，节电效果明显。
普通交流电动机在空载时功率因数为0.2-0.4，满载时为0.5-0.8；而开关磁阻电动机调速系统在空载及满载时均可达高到0.98以上，甚至接近于1.0。在同等工况下使用时，同其它电动机相比，可节电35%以上。
（7）无冲击起动电流。
具有软启动特性，电动机在起动过程中无普通交流电动机起动电流大于额定电流5-7倍现象，而是起动电流平滑增加至额定工矿所需的电流。
2 开关磁阻电机驱动直接平衡抽油机的开发
随着油田开发的不断发展，抽油机需求不断增多。为满足各大油田对采油设备节能减排的要求，我厂研制开发了开关磁阻电机驱动直接平衡抽油机。该抽油机是一种开关磁阻电机换向、直接平衡、皮带减速的抽油机。
2.1 结构组成和特点
（1）结构组成：
抽油机是由悬绳器1、开关磁阻电机2、皮带传动3、摩擦滚筒4、钢丝绳5、导向滚筒6、平衡重7、支撑架8、等组成。如图所示：
（2）结构特点
本机型换向系统是由开关磁阻电机2实现的。
①取消了常规机的减速器，依靠皮带传动满足了机构减速的要求。
②平衡系统采用直接平衡，配重块7直线运动导向采用两面导向，分为固定配重块和可调配重块。以适应不同油水井载荷的变化。
③修井作业可以通过配重块向下运动将导向滚筒6抬起，无需移机而让出修井位置。
④摩擦滚筒4上安装有安全绳与配重相连，支撑架安装有辅助支撑，修井时配重在安全绳的作用下缓慢落在辅助支撑架上，避免了修井期间开关磁阻电机消耗电能。
⑤冲程和冲次两个参数可实现无级调节，以适应井况的变化，调整方式采用旋扭和按钮控制，操作简便，调整精度高。本机的各项控制均在控制柜内实现，能实现电动机频繁的正反转、冲程和冲次的无级调节，不停机调参，实时监测除悬点载荷外的其它运行参数。
2.2 工作原理
下冲程时，磁阻电机通过皮带减速带动摩擦滚筒旋转，摩擦滚筒通过表面的摩擦衬垫靠摩擦力带动钢丝绳与滚筒同向运转。此时抽油杆与电机共同做功将平衡重提升，完成下冲程。
上冲程时，磁阻电机通过皮带减速带动摩擦滚筒旋转，摩擦滚筒通过表面的摩擦衬垫靠摩擦力带动钢丝绳与滚筒同向运转。此时平衡重与电机共同做功将悬点载荷提升，完成一个冲程。此时磁阻电机换向时间均由控制柜的程序面板设置的，信号来源于支撑架上的开关感应铁和无触点限位开关。
2.3 节能机理
从以下几点阐述开关磁阻电机直接平衡抽油机的节能原理
（1）整机重量轻。取消了常规机的驴头、游梁、横梁、连杆和减速器。对制造厂家降低了制造成本。
（2）直接平衡。磁阻电机抽油机的平衡重采用对称平衡可直接平衡掉悬点载荷，而剩余部分需电机做功。可依据1/2油拄举升原则选择电机参数。而游梁式抽油机的曲柄平衡装置和电机由于结构的原因，它们带动连杆不仅做垂直运动还存在水平运动，因此就存在了有用功和内耗功，而内耗功对悬点载荷没有起作用，但电机参数选取和平衡重的设计还得满足上述两种功的需求。所以从电机作功来看，直线抽油机要远远节能于常规游梁抽油机。
（3）提高了系统效率。磁阻电机抽油机取消了减速器和各传动机构，自然传动机构效率就得到了提高。
（4）电机的特殊性。此电机能满足频繁正反转。高起动转矩、低起动电流，调速范围宽，低速下可长期运转。功率因数高，节电效果明显这点是普通电机所达不到的。也是我厂选用此电机的原因之一。
（5）目前随着科学的进步，要求各行各业都用自动化来提高效率和质量。抽油机调参是用户一大工作量，同时还有用户对低冲次的要求，有些是常规机无法满足和实现的。这就要求节能机不仅具有常规机皮实、耐用的特点，还要求能满足宽范围的工况选取，以满足不同地区不同油水井的工况的需要，最主要的是节能的要求。我厂研制的磁阻电机抽油机调参均在控制柜内完成，提高了自动化程度，减轻了操作者的劳动强度。同时还满足用户对各种冲次的要求。
2.4 技术关键
（1）设计关键
本项目的设计关键首先是开关磁阻电机和调速系统控制柜的研制，这两项技术是专门适用于油田抽油机而研制的。不仅满足油水井载荷的变化，还得与抽油机工作的环境和工况相匹配。这两项技术是直线抽油机推广应用的核心和关键。其次是摩擦滚筒表面的摩擦衬垫材质的选取，此件的寿命和耐磨度影响整机易损件更换周期和消耗成本问题。我厂历经各行各业的调研，选取了矿用衬垫和钢丝绳，它不仅保证了机构需要的摩擦力还保证了使用周期，降低了消耗成本。它是用户选择抽油机性价比的关键。
（2）制造关键
开关磁阻电机抽油机和调速系统控制柜的制造，是该机型制造的核心。我厂委托我国著名的淄博电机厂家进行研制的，而其余部分我廠均可加工制造，不存在工艺难题。
2.5 对新产品前景预测及使用范围
国内已有不少厂家研制出直线抽油机，首先由于减速部分采用了机械减速器，齿面硬度满足不了实际需要，出现服役期短的现象。其次出现调速系统控制面板的电器元件设计不合理出现不适合北方地区的环境温度，导致出现故障率高总停机维修而影响产量以至于被淘汰。再次就是柔韧件钢丝绳的寿命问题。我厂选择与摩擦衬垫配套的矿用钢丝绳，其特点就是在摩擦滚筒上支撑表面大、强度比同直径圆形股绳要高，承压面积大等特点。我厂采用类比法，吸取其精华，融入新的设计理念。开发研制了开关磁阻电机抽油机。它的原理和性能已被实际运用所检验和证实。对制造厂家和用户能带来丰厚的利润，推广该机型是我们企业扩大生产的好机会。本抽油机可用在井深1200m 左右，粘度不限，冲次不高于9r/min工况的油水井。
开关磁阻电机直接平衡抽油机的研制，满足了油田市场的需要，尤其是在全社会提倡节能减排的今天，它更具有广阔的发展前景和推广价值。开关磁阻电机直接平衡抽油机的研制，为油田的发展做出的一定的贡献。
关键词：开关磁阻电机；直接平衡；抽油机；节能
1 开关磁组电机及调速系统的开发
目前，油田市场抽油机所用电动机一般规格为Y系列电动机、双速电动机及各类节能电动机，它们共同的缺点是工频使用，起动电流大、力矩小，处在功率浪费状态，这样不仅浪费了电动机资金投入，而且也浪费了电能，是典型的大马拉小车现象。新一代的开关磁阻电动机调速系统解决了上述问题。以十型抽油机为例，现在抽油机用的电动机功率为30KW，运行平均电流为35A；而采用同功率的开关磁阻电动机，运行平均电流仅为15A，节电率达到37%，同时我们采用18.5KW开关磁阻电动机，同样可以保证抽油机正常运转，大大降低了电动机功率，起到节能作用。目前通过厂内试验，节能效果已初步得到证实。
是由开关磁阻电动机和智能调速控制器两者组成的新型调速系统，是继直流电动机调速系统、交流异步电动机变频调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统。
该产品十分适用于抽油机使用，其主要特点是：
（1）高起动转矩、低起动电流。
起动转矩达到额定转矩的200%时，起动电流仅为额定电流的10%。
（2）调速范围宽，低速下可长期运转。
调速范围：5转/分-750转/分，任意设定。
（3）可频繁起动停止，系统调控性能好。
起停切换每小时可达千次以上。
（4）过载能力强。
当负载远大于额定负载时，转速会下降，可保持最大输出功率，不会出现过电流现象，当负载恢复正常时，转速恢复到设定转速。
（5）电动机缺相及过负载时仍可工作。
若三相输入电源缺相只会导致电动机功率减小，仍可欠功率工作，不损坏电动机和控制器。
（6）节约能源、功率因数高，节电效果明显。
普通交流电动机在空载时功率因数为0.2-0.4，满载时为0.5-0.8；而开关磁阻电动机调速系统在空载及满载时均可达高到0.98以上，甚至接近于1.0。在同等工况下使用时，同其它电动机相比，可节电35%以上。
（7）无冲击起动电流。
具有软启动特性，电动机在起动过程中无普通交流电动机起动电流大于额定电流5-7倍现象，而是起动电流平滑增加至额定工矿所需的电流。
2 开关磁阻电机驱动直接平衡抽油机的开发
随着油田开发的不断发展，抽油机需求不断增多。为满足各大油田对采油设备节能减排的要求，我厂研制开发了开关磁阻电机驱动直接平衡抽油机。该抽油机是一种开关磁阻电机换向、直接平衡、皮带减速的抽油机。
2.1 结构组成和特点
（1）结构组成：
抽油机是由悬绳器1、开关磁阻电机2、皮带传动3、摩擦滚筒4、钢丝绳5、导向滚筒6、平衡重7、支撑架8、等组成。如图所示：
（2）结构特点
本机型换向系统是由开关磁阻电机2实现的。
①取消了常规机的减速器，依靠皮带传动满足了机构减速的要求。
②平衡系统采用直接平衡，配重块7直线运动导向采用两面导向，分为固定配重块和可调配重块。以适应不同油水井载荷的变化。
③修井作业可以通过配重块向下运动将导向滚筒6抬起，无需移机而让出修井位置。
④摩擦滚筒4上安装有安全绳与配重相连，支撑架安装有辅助支撑，修井时配重在安全绳的作用下缓慢落在辅助支撑架上，避免了修井期间开关磁阻电机消耗电能。
⑤冲程和冲次两个参数可实现无级调节，以适应井况的变化，调整方式采用旋扭和按钮控制，操作简便，调整精度高。本机的各项控制均在控制柜内实现，能实现电动机频繁的正反转、冲程和冲次的无级调节，不停机调参，实时监测除悬点载荷外的其它运行参数。
2.2 工作原理
下冲程时，磁阻电机通过皮带减速带动摩擦滚筒旋转，摩擦滚筒通过表面的摩擦衬垫靠摩擦力带动钢丝绳与滚筒同向运转。此时抽油杆与电机共同做功将平衡重提升，完成下冲程。
上冲程时，磁阻电机通过皮带减速带动摩擦滚筒旋转，摩擦滚筒通过表面的摩擦衬垫靠摩擦力带动钢丝绳与滚筒同向运转。此时平衡重与电机共同做功将悬点载荷提升，完成一个冲程。此时磁阻电机换向时间均由控制柜的程序面板设置的，信号来源于支撑架上的开关感应铁和无触点限位开关。
2.3 节能机理
从以下几点阐述开关磁阻电机直接平衡抽油机的节能原理
（1）整机重量轻。取消了常规机的驴头、游梁、横梁、连杆和减速器。对制造厂家降低了制造成本。
（2）直接平衡。磁阻电机抽油机的平衡重采用对称平衡可直接平衡掉悬点载荷，而剩余部分需电机做功。可依据1/2油拄举升原则选择电机参数。而游梁式抽油机的曲柄平衡装置和电机由于结构的原因，它们带动连杆不仅做垂直运动还存在水平运动，因此就存在了有用功和内耗功，而内耗功对悬点载荷没有起作用，但电机参数选取和平衡重的设计还得满足上述两种功的需求。所以从电机作功来看，直线抽油机要远远节能于常规游梁抽油机。
（3）提高了系统效率。磁阻电机抽油机取消了减速器和各传动机构，自然传动机构效率就得到了提高。
（4）电机的特殊性。此电机能满足频繁正反转。高起动转矩、低起动电流，调速范围宽，低速下可长期运转。功率因数高，节电效果明显这点是普通电机所达不到的。也是我厂选用此电机的原因之一。
（5）目前随着科学的进步，要求各行各业都用自动化来提高效率和质量。抽油机调参是用户一大工作量，同时还有用户对低冲次的要求，有些是常规机无法满足和实现的。这就要求节能机不仅具有常规机皮实、耐用的特点，还要求能满足宽范围的工况选取，以满足不同地区不同油水井的工况的需要，最主要的是节能的要求。我厂研制的磁阻电机抽油机调参均在控制柜内完成，提高了自动化程度，减轻了操作者的劳动强度。同时还满足用户对各种冲次的要求。
2.4 技术关键
（1）设计关键
本项目的设计关键首先是开关磁阻电机和调速系统控制柜的研制，这两项技术是专门适用于油田抽油机而研制的。不仅满足油水井载荷的变化，还得与抽油机工作的环境和工况相匹配。这两项技术是直线抽油机推广应用的核心和关键。其次是摩擦滚筒表面的摩擦衬垫材质的选取，此件的寿命和耐磨度影响整机易损件更换周期和消耗成本问题。我厂历经各行各业的调研，选取了矿用衬垫和钢丝绳，它不仅保证了机构需要的摩擦力还保证了使用周期，降低了消耗成本。它是用户选择抽油机性价比的关键。
（2）制造关键
开关磁阻电机抽油机和调速系统控制柜的制造，是该机型制造的核心。我厂委托我国著名的淄博电机厂家进行研制的，而其余部分我廠均可加工制造，不存在工艺难题。
2.5 对新产品前景预测及使用范围
国内已有不少厂家研制出直线抽油机，首先由于减速部分采用了机械减速器，齿面硬度满足不了实际需要，出现服役期短的现象。其次出现调速系统控制面板的电器元件设计不合理出现不适合北方地区的环境温度，导致出现故障率高总停机维修而影响产量以至于被淘汰。再次就是柔韧件钢丝绳的寿命问题。我厂选择与摩擦衬垫配套的矿用钢丝绳，其特点就是在摩擦滚筒上支撑表面大、强度比同直径圆形股绳要高，承压面积大等特点。我厂采用类比法，吸取其精华，融入新的设计理念。开发研制了开关磁阻电机抽油机。它的原理和性能已被实际运用所检验和证实。对制造厂家和用户能带来丰厚的利润，推广该机型是我们企业扩大生产的好机会。本抽油机可用在井深1200m 左右，粘度不限，冲次不高于9r/min工况的油水井。
开关磁阻电机直接平衡抽油机的研制，满足了油田市场的需要，尤其是在全社会提倡节能减排的今天，它更具有广阔的发展前景和推广价值。开关磁阻电机直接平衡抽油机的研制，为油田的发展做出的一定的贡献。